分散剂浓度和超声震荡对富伊利石矿物的细粒土的颗粒级配的影响

2021-04-29卢瑞娜梁仁旺

科学技术与工程 2021年9期

卢瑞娜，梁仁旺

(1.太原理工大学土木工程学院，太原 030024； 2.山西大学电力与建筑学院，太原 030013)

颗粒级配是土壤的一个基本性质，它影响着土壤的很多其他性质，如矿物组成[1]、化学成分、沙漠化[2]、成土作用[3]和力学性质[4-7]等。土壤经过风化和成土作用，形成水铝英石等无定形氧化物和有机质，将土壤胶结成砂粒大小的稳定团聚体，很难被分散。再加上次生黏土矿物的不同亲水性质，导致分散结果差别很大。

土样的预处理方式是影响颗粒级配结果的一个重要因素。预处理一般都是采用物理破坏(超声震荡[8-13]、机械振动[12]、离心[14-16])和化学分散(六偏磷酸钠、聚羧酸盐等)的方法。基于不同的研究目的，通常会采用几种预处理方式的联合处理。有的采用煮沸+六偏磷酸钠的预处理方式[17]，有的采用超声波+六偏磷酸钠的处理方式。但是关于预处理方式的分散效果并没有一个定量的评价指标，导致分散剂的浓度、超声波震荡时间等细节因素对分散效果的影响也说法不一。有的文献[14,18-19]对超声震荡则是以能量(J/mL)来量度的，一个普遍的共识是300～500 J/mL的超声震荡能量即可让土颗粒彻底分散，而对于一个已知功率和容积的超声波设备，可以将能量转换成时间来度量。

土壤常用的定量参数包括分维值[20-21]、均匀系数和平均粒径等。分维值是从分形模型中得出的，土的颗粒质量(或数量)与颗粒大小的幂律函数就是土的分形特征。Wu等[22]、Bittelli等[23]证明了土体在一定尺度上的分形特征，并引入了分维值的概念。随后的许多研究都使用颗粒级配的分形模型来描述土壤质地[24-26]。

现通过线性回归验证分维值作为一个评价土颗粒分散效果指标的有效性，同时对分散剂浓度、超声波震荡时间这两个因素对颗粒级配结果的分散效果进行分析，希望能找到分散效果最佳的浓度和超声震荡时间。

1 材料和方法

1.1 材料

颗粒级配预处理主要影响的是细粒土的实验结果，所以实验土样分别选取红黏土、粉质黏土和粉土，土样物理性质如表1所示。红黏土属于汾河上游三趾马红土，粉质黏土和粉土属于汾河中游一级阶地和河漫滩湖相沉积物。在进行预处理前，将土样碾碎风干，剔除植物根系，并过2 mm筛。选取一部分土样进行化学成分和矿物成分分析，分析结果分别如表2和表3所示。

表1 土样的物理性质

表2 土样的化学成分和有机碳含量

表3 土样黏粒的矿物成分及指标

1.2 预处理方法

由于取样地区有机质和碳酸盐含量并不高，对颗粒级配结果影响有限，反而在处理时可能会引入新的离子，清洗不干净影响实验结果。所以，样本均不进行有机质和碳酸盐处理。

颗粒分析实验依据相关的国家标准[17]进行操作，将30 g风干土样放入烧瓶中浸泡过夜，瓶中滴入相应浓度的10 mL六偏磷酸钠溶液或者超声震荡相应的时间。用洗筛(0.075 mm)的方式将悬液通过进入量筒，重复多次，直至量筒内悬液体积达到1 000 mL。通过比重计读取0.075 mm以下的颗粒分析结果，筛上余土风干后通过筛分法获取结果。为了分析六偏磷酸钠的浓度对分散效果的影响，选取了3个场地(榆次、阳曲、静乐)进行了浓度为0～12%的试验，浓度以2%的增量变化，共计7组实验。之前的研究[27]中发现煮沸并不能有效分散土的团聚体，但是会增强六偏磷酸钠的分散效果。为了六偏磷酸钠的作用充分发挥，所以这7组实验的土样均经过了煮沸40 min的预处理。

同时超声波振动能量对分散效果的影响还未得到一致性结论，也进行了不同震荡时间的颗粒分析试验。这组试验同样选取了3个场地(榆次、海德、阳曲)，超声条件设定为：频率40 kHz，功率100 W，容积150 mL。根据最佳分散能上限500 J/mL换算成最佳震荡时间为12 min，所以进行了超声波震荡时间为0～12 min的试验，时间增量为1 min，共计13组试验。

1.3 分形模型

分形特征经常被用于解释土的颗粒级配结果[20-21，26]。基于质量的颗粒级配，假设许多颗粒材料具有均匀的颗粒密度是合理的[21，26]。土壤颗粒级配函数可以表示为

(1)

式(1)中：MT为直径小于最大粒径Rmax的所有土壤颗粒的总质量；Rmax为分形模型的最大粒径；M(r

(2)

分维值Df由式(2)线性拟合的斜率得到，理论上Df介于0～3，线性拟合程度通过决定系数R2确定[20]。采用分维值作为评价分散效果的指标，可根据美国农业部标准中划分的7个粒组[29](1～2、0.5～1、0.25～0.5、0.1～0.25、0.05～0.1、0.002～0.05、<0.002 mm)得出。采用数理统计方法对不同预处理方式下的土样分维值进行样本对的显著性分析。

2 实验结果与讨论

2.1 指标的选用

之前的研究调查了预处理对土壤的黏粒含量的影响[30-32]。然而，土壤黏粒含量只是一个可以用来定性地评价各种预处理方法的局部参数，仍然需要获得一个可以代表整个颗粒粒径分布谱的定量指标，量化评价不同预处理方法的有效性。常用的量化参数包括分形维数、均匀系数和平均粒径。如图1所示，通过计算115个样本的平均粒径(D50)和其分维值(Df)，与相应的黏粒含量进行比较，发现分维值与黏粒含量的拟合度更好(R2=0.80)，说明分维值可以作为表示预处理分散效果的一个有效的定量指标。

图1 分维值、平均粒径与黏粒含量的相关关系Fig.1 Correlation of fractal dimension and average diameter with clay content

2.2 六偏磷酸钠浓度的影响

如图2所示，分维值的变化趋势是六偏磷酸钠浓度在2%左右就达到峰值，然后维持在一个较为稳定的状态，随着浓度继续增大，稳中有降，达到12%后出现明显下降段。分维值随浓度变化规律并未因土壤质地的不同表现出明显差异。将不同浓度下的样本进行样本对的t检验(表4)，结果显示六偏磷酸钠在2%浓度下与不加六偏磷酸的样本差异显著(样本对1，P<0.01)，使土样达到很好的分散效果；12%浓度的结果与2%浓度的差异显著(样本对2，P<0.01)，分散效果明显下降。而且浓度为12%的六偏磷酸钠溶液处理后，与不加六偏磷酸钠处理的结果无显著差异(样本对3，P>0.01)，其土样的平均分维值比后者还要低0.008。

表4 加入不同浓度的六偏磷酸钠后土样分维值的显著性分析Table 4 Significance analysis of fractal dimension of soil samples after adding sodium hexametaphosphate under different concentrations

图2 不同浓度的六偏磷酸钠处理后的颗粒级配和分维值Fig.2 Grain composition and fractal dimension under different concentrations of sodium hexametaphosphate

加入低浓度的六偏磷酸钠时，低价钠离子代替高价钙、镁离子，双电层变厚，使土颗粒的分散性增强，将粗分散系统分散成胶体系统；同时六偏磷酸根离子作为一种长链结构，具有表面活性剂的作用，在很低的六偏磷酸钠浓度下即可使溶液表面张力急剧下降，增加分散效果。随着六偏磷酸钠到达一定浓度(2%)，离子交换量加大，双电层厚度增加到高价离子被完全置换成低价离子，吸附量饱和，分散效果不再增加；六偏磷酸溶液在一定浓度(2%～10%)范围内，分散效果呈现出一个较为稳定的效果。这是因为在较高的六偏磷酸钠浓度下，溶液的表面覆盖一层定向的表面活性剂分子，形成单分子膜；剩余的表面活性剂分子在溶液中形成一定形状的胶束。几十或几百个表面活性剂分子自发聚集形成胶束。这些聚合物通常表现出一定的“核衣壳结构”：表面活性剂分子的极性基团形成胶束的“壳”，吸引水分子，为朝外的亲水基团；而非极性团体聚集形成胶束的“核心”，排斥水分子，为朝内的疏水基团。胶束在水溶液中相对稳定[33-34]。之后六偏磷酸钠溶液的浓度继续增大，在高含盐量的溶液中，分维值出现明显下降段，是因为反离子层的离子浓度增加，扩散层被压缩变薄，反离子层变薄，颗粒间存在较大的净吸力，黏粒容易絮凝成集合体下沉，出现聚沉现象。如图3所示，虽然六偏磷酸钠浓度在2%的时候土样的分维值已经达到峰值，但是，浓度在4%的分形模型的线性拟合度优于前者。所以4%是六偏磷酸钠一个推荐的浓度。

图3 不同六偏磷酸钠浓度下分形模型的拟合度Fig.3 The fitting degree of the fractal model under different concentration of sodium hexametaphosphate

2.3 超声波震荡预处理

不同超声震荡时间下的土样分维值无显著差异(P>0.05)，但是超声震荡分散土样是常用的一种方法。为了更精确地地判断超声震荡对具体粒组的影响，根据美国农业部制订的土壤质地分类标准将颗粒级配分析结果划分为7个粒组。如图4所示，超声震荡使得土样的细颗粒含量增加，分维值增大。因为在震荡过程所消耗的能量远大于系统的吉布斯函数变，可以将粗分散系统分散为胶体。土样黏土矿物中伊利石含量最高(表3)，而伊利石的絮凝作用最强[35]，同时超声波震动使细分散系统即溶胶分散相的布朗运动加速，颗粒碰撞的几率增加。因此在分维值达到一个峰值之后开始下降，之后又开始上升，表现出往复的分散与絮凝特征。粉质黏土率先达到第一个峰值，因为它的较大粒组(0.05～0.1 mm)含量最高，大粒组的范德华力很小，只需很短时间(1 min)就可分散较大的团聚体，粉土紧随其后(2 min)，红黏土所需时间最长(3 min)。随着震荡时间的增加，絮凝现象率先出现在红黏土中，因为产生絮凝的粒径上限是0.03 mm，红黏土的0.03 mm以下的颗粒含量最多。不同震荡时间土样的分维值与不震荡的土样结果并无显著差异，说明单独使用超声震荡并不是一个有效的分散方式，需要同时添加稳定剂来保证分散效果。

图4 不同超声震荡时间处理后土的颗粒级配Fig.4 Particle size distribution of soils treated with different ultrasonic oscillation time

煮沸不会造成颗粒的破碎，用煮沸+4%六偏磷酸钠预处理的结果作为对照组。将各土样超声震荡的分维值Df最大值与其处理结果进行对比，可验证超声震荡下土颗粒是否被震碎。如图5所示，超声震荡的黏粒含量并未达到其真实含量，所以土颗粒在本实验过程中几乎未发生破碎。同时从分维值Df的对比发现，12 min的超声震荡对任何一种土都未能达到彻底分散，要使富伊利石矿物的黏土达到充分分散需要更多的超声震荡时间或者与其他预处理方式联合使用。

图5 超声震荡与煮沸+六偏磷酸钠(4%)联合处理后土的颗粒级配对比Fig.5 Comparison of the particle size distribution of soils pretreated by ultrasonic concussion and combining boiling and sodium hexametaphosphate (4%)